Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de mar/avr/mai 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 56

  • Taille du fichier PDF : 3,8 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur l'amplification d'impulsions laser par dérive de fréquence.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Grille tunnel D a Grille arrière b o être obtenue avec un faible champ magnétique qui ne détruira pas la supraconductivité. En outre, pour rendre le système unidimensionnel, on utilise des nanofils semi-conducteurs à fort couplage spinorbite tels que l’antimoniure d’indium (InSb) ou l’arséniure d’indium (InAs). De telles structures hybrides, réalisées avec un nanofil enrobé d’un supraconducteur standard comme l’aluminium ou le niobium et dont les propriétés sont étudiées sous champ magnétique, ont été réalisées par plusieurs groupes à la suite des propositions théoriques [6, 7]. Pour démontrer que la supraconductivité induite est topologique, les expérimentateurs cherchent alors à détecter l’apparition de quasi-particules de Majorana à énergie nulle. L’expérience la plus simple consiste à mesurer le courant qui passe à travers un contact métallique faiblement couplé à l’extrémité du nanofil enrobé de matériau supraconducteur, sous l’effet d’une tension de polarisation entre le métal et le nanofil. Un courant peut passer uniquement si des états à l’extrémité du nanofil sont disponibles pour accueillir les quasi-particules 8 Reflets de la Physique n°61 Grille latérale Grille tunnel V 500 nm Grille latérale I dl/dV (2e 2/h) V (mV) 0,2 -0,2 0 0 0,2 provenant du métal. Dans les supraconducteurs standard, le gap détermine une tension-seuil en deçà de laquelle aucun courant ne circule à suffisamment basse température. En revanche, la présence de quasi-particules de Majorana associées à un état d’énergie nulle permet au courant de circuler même à faible tension. De plus, les théoriciens prédisent que la conductance correspondante atteint le quantum de conductance 2e 2/h, quel que soit le couplage entre le métal et le supraconducteur. Une telle quantification de la conductance est d’ailleurs une autre manifestation de la topologie. Un courant à faible tension a effectivement été observé dans un nanofil lorsque le champ magnétique dépasse une valeur critique déterminée par la levée de dégénérescence de spin (fig. 4) [8]. Des signatures de quasiparticules de Majorana dans la conductance électrique ont également été observées dans d’autres systèmes tels que des chaines d’atomes magnétiques de fer déposés sur du plombqui est un supraconducteur avec un fort couplage spin-orbite [9], ou encore un supraconducteur conventionnel déposé sur un isolant topologique 0 dl/dV (2e 2/h) 0,4 1.- 0 1 B (T) 0,6 0,8 V ≈ 0 mV 4. Quantification de la conductance d’un nanofil (source adaptée de la référence [14]). a) Dispositif expérimental réalisé à Delft [14]. Un nanofil de InSb (gris) est enrobé par de l’aluminium (vert). Les deux extrémités sont connectées à des réservoirs métalliques (jaune) pour mesurer la conductance à travers le nanofil. b) En haut  : conductance dI/dV en fonction du champ magnétique B et de la tension de polarisation V, mesurée dans le dispositif montré en a). En bas  : sur une plage de champ magnétique autour de 0,8 T, on voit que la conductance à faible tension de polarisation atteint le quantum de conductance 2e 2/h. Cette conductance quantifiée est une signature attribuée à la présence d’une quasi-particule de Majorana localisée à l’extrémité du nanofil. bidimensionnel possédant un état de bord métallique unidimensionnel [10]. Par contre, pour exclure toute explication alternative de ces effets, d’autres signatures sont requises. On peut par exemple exploiter les effets électrostatiques. Considérons un nanofil enrobé d’un supraconducteur et faiblement contacté à des électrodes métalliques qui permettent d’appliquer une tension de polarisation entre les deux extrémités du nanofil. La charge électrique portée par ce nanofil est un multiple bien défini de la charge élémentaire ; elle peut être contrôlée par une grille électrostatique, comme dans un condensateur. Cette charge est donc fixée la plupart du temps, et le courant électrique qui traverse le nanofil est bloqué. En variant la tension de grille, il est cependant possible de rendre deux états de charge différente dégénérés en énergie. Dans ce cas, un nouveau régime de transport électrique impliquant l’état formé par les deux quasi-particules de Majorana localisées à chaque extrémité du nanofil a été mis en évidence [11]. Les chercheurs ont mesuré la protection topologique associée à la façon dont cet 1
état s’écarte du niveau de Fermi quand le nanofil est de plus en plus court. Cette expérience préfigure des protocoles pour mesurer si un état d’énergie nulle est vide ou occupé. Une autre possibilité consiste à mesurer le courant à travers une jonction formée par deux supraconducteurs entre lesquels une tension de polarisation continue est appliquée. L’échange cohérent de paires de Cooper entre deux supraconducteurs conventionnels produit un courant alternatif qui oscille à une fréquence proportionnelle à la tension. Cet effet prédit par Josephson, et pour lequel il a reçu le prix Nobel de physique en 1973, a joué un grand rôle dans la validation des théories microscopiques de la supraconductivité et a de nombreuses applications en métrologie. Lorsque les supraconducteurs formant la jonction sont topologiques, la nature fractionnaire des quasi-particules de Majorana qui s’hybrident de part et d’autre de la jonction se traduit par une réduction de moitié de la fréquence Josephson. Des signatures compatibles avec un tel effet ont également été observées [12]. Perspectives pour le calcul quantique topologiquement protégé La prochaine étape consistera à manipuler ces quasi-particules de Majorana. Leur potentiel apparait en effet lorsqu’un grand nombre d’entre elles peut être créé. Comme discuté ci-dessus, une paire de quasi-particules de Majorana correspond à un état fermionique ordinaire non local à énergie nulle. Une telle paire de quasiparticules de Majorana forme donc un système à deux états dégénérés qui peut réaliser un bit quantique – ou « qubit » ; par exemple, l’état vide représente le’0’logique, tandis que l’état occupé représente le’1’logique. Ainsi, en construisant un réseau de supraconducteurs unidimensionnels, on peut disposer de 2N quasi-particules de Majorana correspondant à N états fermioniques non locaux d’énergie nulle qui peuvent être vides ou occupés. À parité fixée, l’état fondamental du système a donc une dégénérescence 2 N-1 qui devient extrêmement grande quand N croît. Un tel système se comporterait alors comme N-1 bits quantiques, qui sont aujourd’hui activement étudiés pour envisager une alternative quantique à l’informatique état vide état occupé classique omniprésente dans notre environnement. De surcroît, cette réalisation de qubits bénéficierait de la protection topologique associée à la non-localité intrinsèque des objets qui les constituent ; cela lui conférerait un avantage majeur par rapport à d’autres propositions de qubits. La manipulation des quasi-particules de Majorana est possible car, contrairement aux particules imaginées par Majorana, ce ne sont pas des fermions. Ce ne sont pas davantage des bosons, mais ce qu’on appelle des « anyons ». Ce type de particule ne peut pas exister en tant que particule élémentaire, mais peut être réalisé comme quasi-particule dans un solide. Si on échange les positions de deux fermions ou de deux bosons dans un système quantique, celui-ci revient dans le même état. Cela reste vrai pour les anyons abéliens. (Les bosons, les fermions et les anyons abéliens se distinguent par la phase qu’acquiert la fonction d’onde quantique qui les décrit lors de l’échange de deux d’entre eux.) En revanche, la situation est différente pour état occupé loi ms mg am oie état vide Images de la physique le temps 5. L’occupation d’un état formé par une paire de quasi-particules de Majorana peut être manipulée en opérant des échanges entre leurs positions. La figure montre les trajectoires de quasi-particules de Majorana qui mènent à un transfert de l’occupation d’une paire à une autre. Pendant tout le processus, les quasi-particules de Majorana doivent rester loin les unes des autres. Ce type de processus permet de concevoir des portes logiques avec des qubits constitués par des paires de quasi-particules de Majorana, sans perdre la protection topologique conférée par la non-localité. les anyons non-abéliens, dont font partie les quasi-particules de Majorana, pour lesquels un échange peut mener à un état quantique différent. En opérant des échanges entre les positions de 2N quasiparticules de Majorana, il est alors possible d’effectuer des « opérations » quantiques dans le sous-espace dégénéré des 2 N-1 états propres qu’ils déterminent [13]. Ce jeu de bonneteau quantique revient à faire apparaitre et disparaitre des billes cachées sous des gobelets déplacés sur une table, mais sans tricher en soulevant ces gobelets ! Une telle expérience serait la première démonstration que les quasi-particules de Majorana sont utiles pour réaliser certaines opérations de l’information quantique (fig. 5). Pour effectuer ces échanges, différentes géométries ont été proposées. Les expérimentateurs commencent à synthétiser des réseaux formés de plusieurs nanofils enrobés d’aluminium supraconducteur (voir par exemple l’image du haut de la page 5), en espérant que des quasi-particules de Majorana apparaissent à chaque extrémité Reflets de la Physique n°61 9



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